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一幅艺术家的渲染图描绘了一场太阳风暴袭击火星并从其高层大气中剥离离子。

图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

开尔文亥姆霍兹波可能有助于太阳风从火星剥离大气粒子。

火星持续暴露在从太阳向外高速运动的带电粒子流中。

地球的全球磁场会偏转大部分太阳风，但火星缺乏类似的屏障。

因此，这种粒子流会直接撞击火星的高层大气，并逐渐将部分大气粒子带入太空。

由波士顿大学牵头的研究人员已经确定了这种大气损失可能发生的一种方式。

他们发表在《科学进展》杂志上的研究发现，太阳风会扰动火星大气层的外缘，就像风会搅动水面一样。

这种相互作用会产生被称为开尔文亥姆霍兹波的大型翻滚结构，这种结构有助于将大气物质从行星上剥离。

两艘航天器揭示了缺失的环节

第一作者张弛是波士顿大学空间物理中心的一名研究科学家，他与同事们利用了美国国家航空航天局（NASA）的火星大气与挥发物演化（MAVEN）航天器和天问一号任务的测量数据开展研究。

该空间物理中心是波士顿大学文理学院与工程学院的一个合作项目。

天问一号在太阳风到达火星前对其未受干扰的状态进行了测量，而MAVEN则在更靠近火星的位置探测到了逃逸的大气离子。

结合这些观测结果，研究人员能够将实时太阳风状况与火星大气粒子损失的变化直接进行对比。

科学家们早已知道，火星上层大气中的大量等离子体云可以通过一种被称为整体逃逸的过程带走大量离子。

对于这些云是如何形成的，此前人们已经提出了几种可能的解释，但由于研究人员缺乏直接观测证据，它们的起源仍不确定。

太阳风与电场相互作用的示意图。

图片来源：波士顿大学张弛

单一航天器无法解决这个问题，因为它不能同时测量上游太阳风和火星附近逃逸的离子。

在《自然通讯》发表的一项早期研究中，张及其同事表明，MAVEN和天问一号的协同观测可以将入射太阳风的变化与火星周围的环境条件联系起来。

使用同样的双航天器方法，《科学进展》的研究发现开尔文亥姆霍兹波是大气离子逃逸的重要驱动因素。

这些波形成于运动的等离子体流过火星上层大气边缘的地方，搅动边界并产生能将大气粒子向外携带的大型云团。

大气逃逸偏向一侧

张及其同事发现了直接证据，表明开尔文亥姆霍兹波产生了观测到的等离子体云。

测量结果还显示，由此产生的大气损失在火星周围的分布并不均匀。

相反，它主要出现在行星的一侧，具体取决于太阳风电场的方向。

张说。

该电场的方向似乎决定了波最有效形成的位置以及增强逃逸发生的位置。

因此，这些结果将入射太阳风、开尔文亥姆霍兹波的发展以及大气离子的移除在一个观测序列中联系起来。

未来的任务将测量影响。

研究人员仍需确定这些波形成的频率、哪些太阳风条件会增强它们，以及它们会导致火星大气总损失的比例。

张指出：未来的研究将聚焦于确定有利于开尔文亥姆霍兹波形成和增长的条件，并确定它们对火星大气逃逸的贡献程度。

要回答这些问题，需要更多的航天器测量数据和更先进的数值模拟。

虽然某项航天器任务正进入收尾阶段，但张表示，另一项航天器任务可延续这项工作。

张表示：随着MAVEN任务进入收尾阶段，美国国家航空航天局（NASA）的ESCAPADE任务将为其丰富的科学遗产增添光彩。

ESCAPADE任务已发射升空，将为研究太阳风驱动的火星大气损失提供一个重要的新契机。

ESCAPADE预计将提供另一个机会，观察太阳风条件如何影响火星大气。

这些测量结果可能帮助研究人员估计开尔文亥姆霍兹波相对于其他移除大气粒子的过程的重要性。

我们想知道这些波最可能在何时形成、如何演化，以及它们能在多大程度上推动大气逃逸，波士顿大学空间物理中心教员、文理学院天文学助理教授董传飞（音译）说。

这一过程也可能发生在其他缺乏强磁场的行星上，包括一些系外行星。

因此，这些发现可能不仅适用于火星。

没有强全球磁场的行星，当恒星风直接与它们的上层大气相互作用时，可能会经历类似的边界波。

火星被认为曾具有潜在的宜居性，拥有更浓厚的大气层和表面液态水。

了解它如何变成我们如今所见的寒冷干燥星球，对于理解行星环境如何随时间演变至关重要，张说。

参考文献10.1126sciadv.aed9072

《火星行星离子逃逸的异常瞬态增强》，作者：张之、董传飞、周宏阳、贾斯珀哈莱卡斯、山内正俊、汉斯尼尔森、刘TZ、莫亚佩尔松、香农柯里、董雅雪、二形芳文、陈雨溪、周慕尼、鲁胡努西里苏兰加、凯瑟琳G汉利、克里斯蒂安马泽勒、徐少遂、罗宾拉姆施塔德、马茨霍尔姆斯特伦及陈立人，近期发表于《自然通讯》。

DOI：10.1038s4146702558351y

这项工作得到了以下资助：美国国家航空航天局（NASA）在火星大气与挥发物演化任务（MAVEN）项目下授予的NNH10CC04C资助（授予S.C.）、美国国家航空航天局太阳系运作项目的80NSSC23K0911资助（授予C.D.）和80NSSC24K1843资助（授予C.F.D.）、阿尔弗雷德P斯隆研究奖学金（授予C.D.），以及普林斯顿高等研究院的IBM爱因斯坦学者基金（授予C.D.）。

相关知识

火星是太阳系八大行星之一，属于类地行星。

它呈橘红色外表，是因为地表被赤铁矿覆盖。

火星直径约为地球的一半，自转周期与地球相近，公转周期约为地球的两倍。

它有稀薄的大气层，表面有撞击坑、火山和峡谷等多种地形。

BY: Boston University

FY: AI

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